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真实破裂过程分析(RFPA软件)
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发布: 系统管理员  日期: 2019-04-30 点击: 312 评论: 0

真实破裂过程分析(Realistic Failure Process Analysis)(简称:RFPA),RFPA软件是基于真实破裂过程分析方法研发的一个能够模拟材料渐进破坏的数值试验工具。本软件由大连理工大学唐春安老师的技术团队与大连力软科技有限公司联合研发的专业CAE分析软件,其计算方法基于有限元理论和统计损伤理论,该方法考虑了材料性质的非均性、缺陷分布的随机性,并把这种材料性质的统计分布假设结合到数值计算方法(有限元法)中,对满足给定强度准则的单元进行破坏处理,从而使得非均匀性材料破坏过程的数值模拟得以实现。因RFPA软件独特的计算分析方法,使其能解决岩土工程中多数模拟软件无法解决的问题。

RFPA系列软件完全是自有技术研发,目前已经实现并行计算,是国内唯一应用于高性能计算机实现材料破坏分析大规模科学计算的软件。

目前,不管国内还是国际,都还没有完全能和RFPA竞争的材料破坏力学分析软件。诸如ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、LS-DYNA等软件主要是基于连续介质力学框架的弹塑性分析,包括Itasca公司产品FLAC等等在实现材料破坏过程的真实模拟方面均存在局限。

  • 渗流分析版–RFPA3D-Flow

三维真实破裂过程分析软件【渗流分析版】–RFPA-Flow是继RFPA3D-Basic版推出的新版本。 RFPA3D-Flow可建立描述非均质岩体渗流-应力-损伤耦合作用物理模型,可研究岩体应力状态的变化和损伤破坏过程中渗透性的演化规律对其渗流过程的影响,包括应力-应变-渗透系数全过程分析,裂纹萌生、扩展贯通过程渗透性变化规律;渗流过程对水压力作用岩石应力分布及其损伤演化的影响,包括孔隙水压力对岩石破裂模式的影响等;非均匀性对岩石的渗流-应力-损伤耦合机制的影响等等;利用该版本可进行岩石(体)基本渗流特性的模拟研究,亦可进行水工中岩石(体)流-固耦合问题的数值计算分析,如可开展水力水电工程中各类坝体渗流场、孔隙压力场、微震时空展布等特征的计算分析,对承压水煤层开采等工程中的突水等突发性地质灾害的预测分析。

数值模型 破坏模式(水压分布)

  • 并行分析版–RFPA3D-Parallel

三维真实破裂过程分析软件【并行分析版】–RFPA3D-Parallel是继RFPA单机版系列软件开发成功后推出的。通过大规模科学计算进行重大科学发现,已普遍地为人们所共识。从传统科学与工程领域如航空航天、地震预报、天气与气候预测、大型水利建设和石油地质勘探,到大型基因组测试、新药设计和新材料合成等新兴科学研究领域,无处不需要大规模数值试验和科学计算。在当今社会,科学数值试验已经逐渐成为影响和关系到一个国家经济发展、科技进步和国家安全的关键性环节。而要实现大规模数值试验和科学计算,则首先必须寻求更好的算法和技术来解决来自科学和各类工程技术中的大规模计算问题,提高计算速度,并行计算方法是目前解决这一难题的最行之有效的方法之一。对于工程地质灾害问题也是一样,由于问题涉及的因素多且复杂、规模巨大,仅仅依靠现有的数值计算方法和分析工具,很难开展高水平的分析预报工作。运用大规模科学计算技术来分析复杂应力场的分布,灾害的分析预报,无疑将是一条有效的途径。RFPA3D-Parallel版正是应这一需求而推出的,RFPA3D-Parallel版融合了现代并行计算技术和RFPA系列软件特有的破坏过程分析手段,可建立实际工程的大规模三维地质模型,实现300万以上单元,每秒3000亿次以上的应力数值计算分析,进行应力场、位移场及微震活动性演化分析,为工程安全稳定性评价、地质灾害预测预报提供研究平台。

不同应力水平下的裂纹等间距现象(RFPA3D-Parallel模拟)

地层中裂纹饱和现象的大规模数值计算分析(RFPA3D-Parallel模拟)

某矿山境界矿柱分析(RFPA3D-Parallel模拟)

  • 工程建模版–RFPA3D-Engineering

三维真实破裂过程分析软件【工程建模版】–RFPA3D-Engineering是继RFPA3D-Basic版开发成功后推出的,主要面向实际岩土工程应用分析,可对工程实体进行应力分析、位移监测及声发射(微震)监控等。针对实际工程模型,可用RFPA3D-Engineering自身建模、计算分析,亦可用MSC.PATRAN、ANSYS等大型通用商业软件建模,然后导入RFPA3D-Engineering中进行计算分析,最后得到可视化的结果和具体量化的分析数据。

地震波作用下拱坝破坏(RFPA3D-Engineering模拟)

RFPA3D-Engineering生成的数值分析模型和加载边界条件

间隔破裂形成过程(RFPA3D-Engineering模拟)

RFPA3D-Engineering数值模拟得到的最大主应力分布图

球体表面龟裂形成过程(裂纹从产生到饱和的过程)(r3-r2=30mm)

球体表面龟裂形成过程(不同材料层厚度模拟结果)(RFPA3D-Engineering模拟)

  • 强度折减版–RFPA3D-SRM

三维真实破裂过程分析软件【强度折减版】–RFPA3D-SRM是在RFPA2D系列软件的思想上将强度折减基本原理引入真实破裂过程分析[RFPA]方法中而推出的新版本。运用该版本可进行边坡、岩土工程稳定性分析,该版本的数值计算方法全面满足静力许可、应变相容、以及岩土体的非线性应力-应变关系,在求解安全系数时,无需假定滑动面的具体位置和形状,也无需进行条分,程序可自动求得滑动面;模拟过程中能够跟踪边坡起裂、裂纹发展和滑动面的形成过程;对安全系数的计算中,以基元破坏个数的最大值作为边坡失稳的判据,方法简单、有效;能够对复杂地质、地貌的岩、土质边坡进行稳定性分析,不受边坡几何形状和结构的限制,边坡中的不同构造、产状和特性的结构面均可以在数值模型中得以再现,能够为深入研究边坡的稳定性提供理论支持并为边坡的设计提供指导。

普通坡面三维边坡稳定性分析(RFPA3D-SRM)

不规则坡面三维边坡稳定性分析(RFPA3D-SRM)

多台阶三维边坡稳定性分析(RFPA3D-SRM)

  • 基本版–RFPA3D-Basic

三维真实破裂过程分析软件【基本版】–RFPA3D-Basic 是在RFPA2D系列软件的思想上开发的新版本。数学理论上的复杂性、实验室试验和现场观测试验条件和技术的限制,都给岩石三维破裂过程的研究带来很大的困难,RFPA3D系列软件正是应这一需求而隆重推出的,RFPA3D系列软件秉承了RFPA2D系列软件在岩土破裂过程分析方面的特色,可实现岩石试件的加载破裂、岩石破裂的声发射、三维裂纹扩展和相互作用、复合材料断裂的数值模拟,并可对地下结构工程破坏、混凝土结构破坏等实际工程开展应用分析。计算结果为丰富的三维图形显示,采用SGL公司跨平台强大图形库模块OpenGL来实现软件模拟结果的图形图像的显示,可以多角度旋转和不同方位的剪切模型,观测被计算分析实体中的萌生裂纹、应力场、位移场、声发射场的时空展布特征。

轴向压缩岩样破坏的弹性模量以及轴向位移(RFPA3D-Basic模拟)

脆性材料薄板五点弯曲加载破坏过程(RFPA3D-Basic模拟)

混凝土梁的三点受载破坏(RFPA3D-Basic模拟)

  • RFPA数值实验室

数值试验室应用真实破裂过程分析RFPA系统研究岩石类脆性材料破坏力学问题。RFPA基于有限元和统计损伤理论,考虑了材料的非均匀性、缺陷分布的随机性,并把这种材料性质的统计分布假设结合到数值计算方法(有限元法)中,对满足给定强度准则的单元进行破坏处理,从而使得非均匀材料破坏过程的数值模拟得以实现。RFPA系统的应用克服了物理实验观测难、分析难、重复难、费用高、周期长的弊病,能够获得许多在实验室中无法真实再现的实验现象及计算信息。高性能计算集群系统与RFPA系统的配合、虚拟现实系统与RFPA系统数据的无缝连接可以实现对大型工程的大规模科学计算与数值试验结果的三维立体展示。数值试验室通过真实破裂过程分析RFPA系统、高性能计算集群系统和虚拟现实系统的完美结合,已经成为科学研究与工程分析的一种强有力手段与工具,为用户提供从问题研究、监测服务、数值试验、结果展示到分析预警的完整解决方案。

建立数值实验室作用及意义:提升科研能力;提高工程安全技术服务水平;提升科技项目的社会竞争力。

数值试验是利用数值计算方法研究力学的各种问题,尤其可以对一些由于经费、时间、难度等因素的制约而难以在实验室实际再现的未知现象进行真实模拟显现。“只有想不到”的概化模型,“没有做不到”的数值分析。诸如冲击地压、岩爆、矿震、突水、含瓦斯煤岩突出等岩土工程灾害现象,很难通过实验室实验演示,而数值试验可完全实现上述目标。

从东北大学、大连大学和其它有关数值实验室的发展情况看,数值实验室还成为了教学改革和产出高水平教学成果的阵地。

1、数值实验室应用领域:

数值试验已广泛应用于岩体工程领域,如岩体工程结构的受载破坏,采矿中煤与瓦斯突出、顶板冒落、底板突水等矿山动力灾害,地下工程中的巷道、隧道围岩破坏失稳灾害,边坡工程稳定性问题,水电大坝的稳定性问题,核废料地质储存等研究领域,并已经显现出数值试验在解决重大岩体工程问题时的优势。

(1)岩体工程材料的变形破坏。包括岩体试件、煤体试件、混凝土、钢筋混凝土、复合材料、工程结构等的加载变形破坏、声发射

(2)采矿诱发的岩体变形破坏。包括地表沉陷、岩层移动、地裂缝、山体开裂

(3)地下工程的变形破坏。包括井筒/立井/巷道/隧道的变形破坏、顶板冒落、底板突水

(4)边坡的变形破坏。包括岸坡的稳定、路坡的失稳与疲劳破坏

(5)水电工程大坝稳定性分析。包括水电工程大坝的动力响应与稳定性分析

(6)岩体工程动态力学行为,包括地下工程/边坡工程/基坑工程的开挖与支护,地基工程

(7)环境岩体工程及其灾害防治。主要包括抽水引起的地面沉陷/地下建(构)筑物的破坏,工程施工诱发的地质环境变化、诱发地震、区域稳定、现代构造应力

(8)爆炸力学与工程灾害防治

(9)煤岩动力灾害(如煤岩体瓦斯突出、突水等)与防治

(10)核废料地质存储灾害的防治

2、数值实验室构成:

数值实验室由真实破裂过程分析RFPA系统、高性能计算集群系统、虚拟现实系统和终端工作室组成。

  • 真实破裂过程分析RFPA系统

RFPA系统是基于RFPA方法(即真实破裂过程分析方法)研发的一个能够模拟材料渐进破坏的数值试验工具。其计算方法基于有限元理论和统计损伤理论,考虑了材料性质的非均性、缺陷分布的随机性,并把这种材料性质的统计分布假设结合到数值计算方法(有限元法)中,对满足给定强度准则的单元进行破坏处理,从而使得非均匀性材料破坏过程的数值模拟得以实现。

  • 高性能计算集群系统

高性能计算集群系统是一个创新性和实用性有机结合的系统,既擅长超大规模科学工程计算,又能进行大规模数据处理,还能高效运行商业软件。系统具有应用适应性强、运行速度快、整机效率高、并行I/O能力强、性能功耗比高、软件丰富实用、产品化程度高等突出优势,是理想的大型公共计算平台。整个计算系统通过Infiniband和千兆以太网两套集群域网实现结点间互连,通过I/O结点和存储域网实现共享存储,所有硬件统一集成在集群基础架构中,并通过集群系统软件及应用支撑环境和工具等,对外提供单一系统映像,支持大规模的科学工程计算、网络信息服务和数据库应用。

系统主要特点:

(1)全交换互连结构,为应用子任务间提 供高带宽、低延迟的无阻塞通信

(2)在线、近线、离线多级冗余存储结构,高效安全地实现存储访问和管理

(3)针对不同应用需求的多类型、高性能、可扩展的文件系统访问通道

(4)系统统一管理和部署、作业管理和入侵检测技术

(5)快捷、安全、高可用的外部接入服务

(6)整机系统及部件均高度产品化,可实现快速规模化复制

  • 虚拟现实系统

虚拟现实系统是可支持多用户的大型沉浸式虚拟现实产品,集合了DVS3D虚拟现实平台、3D素材库、6自由度光学追踪系统、人机交互、PLC电控技术、虚拟应用等多项核心技术。系统通过与RFPA系统数据无缝对接,采用沉浸式虚拟显示环境,实现对岩石破裂过程中的裂纹萌生、扩展与贯通,直至失稳的全过程三维立体展示,帮助分析人员掌握岩石破裂本质与失稳机理。

借助虚拟现实系统,研究人员也可以形象逼真地展示高陡边坡失稳、煤岩动力灾害(瓦斯突出、突水等)、深埋隧道岩爆等主要岩体工程灾害孕育全过程,窥探岩体内部微破裂演化机制,把握岩体工程灾害前兆规律,实现对重大岩体工程灾害的分析预警。

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真实破裂过程分析(RFPA软件)
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